UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE NICARAGUA UNAN – LEÓN

FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS ESCUELA DE INGENIERÍA DE ALIMENTOS

TÍTULO:

BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA EN EL PROCESO DE

PRODUCCIÓN DE ALCOHOL EN COMPAÑÍA LICORERA DE NICARAGUA S.A. FEBRERO – JUNIO 2005.

TÉSIS PARA OPTAR AL TÍTULO DE: INGENIERO DE ALIMENTOS.

AUTOR: BR. ERICKSON JAVIER CANO MENDOZA. TUTOR: MBA. MARÍA ELENA VARGAS ZAMBRANA. ASESORES: ING. SERGIO LUGO MAYORGA. LIC. TOMAS ANTONIO CANO TÓRREZ

LEÓN, AGOSTO DEL 2005.

INDICE

RESUMEN DEDICATORIA AGRADECIMIENTO INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………….1 OBJETIVOS…………………………………………………………………………..2 ANTECEDENTES…...……………………………………………………………….3 JUSTIFICACIÓN………………………………………………………………….…4 MARCO TEÓRICO………………………………………………………………….5 METODOLOGÍA…………………………………………………………………...17 DISCUSIÓN DE RESULTADOS…………………………………………………..20 CONCLUSIONES…………………………………………………………………...37 RECOMENDACIONES…………………………………………………………….38 GLOSARIO DE TERMINOS………………………………………………………39 BIBLIOGRAFÍA………………………………………………….………………….42 ANEXOS……………………………………………………………………….……..43

RESUMEN El presente trabajo es un estudio experimental basado en la determinación de los requerimientos de masa en las etapas de mezclado en línea, prefermentación, fermentación y destilación, así como el calor generado en las etapas de fermentación y destilación de alcoholes. Este trabajo se realizó con el interés de la empresa de evaluar la eficiencia del sistema de destilación a vacío y determinar la cantidad total de búnker que se esta utilizando, ahora que la empresa esta trabajando con un biodigestor. Otra de las razones importantes por las cuales se hizo este estudio fue por el traslado de la empresa hacia el Ingenio San Antonio, ya que los cálculos realizados le servirán a la misma para determinar el costo de producción del alcohol, cuanto cuesta el traslado, en cuanto tiempo van a recuperar la inversión de la reubicación, entre otros cálculos financieros. El trabajo inicio, con la investigación de el fundamento de operación de cada una de las etapas del proceso en estudio, de tal manera que se pudieran identificar las corrientes de entrada y salida involucradas en cada una de ellas, luego se determinaron las bases de cálculos considerando de gran importancia conocer el principio de la conservación de la masa y energía, ya que sin éste no podría ser posible la realización de estos cálculos. Para realizar los cálculos se utilizaron algunos datos proporcionados por el laboratorio de la empresa, tales como el porcentaje de lodos, la densidad del mosto, la capacidad calorífica del mosto, la densidad del alcohol, la capacidad calorífica del alcohol y su grado alcohólico. Los resultados que se obtuvieron en este estudio corresponden al promedio de tres determinaciones de masa en cada una de las etapas del proceso de producción de alcohol y tres cálculos de la cantidad de calor en la fermentación y destilación de alcohol. Finalmente se realizó una comparación de la cantidad de búnker que se requiere para el proceso de producción de alcohol tomando en cuenta la cantidad de gas metano que sustituye al búnker, identificando un 65% de ahorro en la utilización del mismo.

DEDICATORIA

El presente trabajo se lo dedico a: A mi padre el Lic. Tomas Cano que con su esfuerzo, consejos y educación hizo posible que pudiera culminar mis estudios. A mi madre Mercedes Mendoza por mostrar su abnegación y preocupación en todo momento durante mis estudios. A mis hermanos Rafael, Roberto, y Tomas Cano Mendoza que siempre estuvieron apoyándome y aconsejándome en las situaciones más complejas de mi carrera. A la señorita Tania Valdivia que siempre me brindó su apoyo en todo momento, y me recordó que todo es posible teniendo presente siempre a Dios. Br. Erickson Javier Cano Mendoza.

AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer primeramente a Dios nuestro creador, por darme la fortaleza, la sabiduría y la confianza en mí para poder culminar mis estudios. A Compañía Licorera de Nicaragua S. A. por haber hecho posible la realización de este trabajo, brindándome la oportunidad de acceder a las diferentes etapas de la producción de alcoholes. A mí padre que como responsable del departamento me dedico un poco de su tiempo para llevar a cabo este trabajo. A la MBA. María Elena Vargas y al Ing. Sergio Lugo, por ser mis tutores y brindarme su dedicación para la culminación de este trabajo. Al personal de producción por brindarme la información necesaria para hacer este estudio. Y finalmente a mis compañeros y amigos que me dieron su apoyo durante todos los años de mi carrera. Br. Erickson Javier Cano Mendoza.

INTRODUCCIÓN Compañía Licorera de Nicaragua S. A., es una institución cien por ciento Nicaragüense, nace en 1,890 con la construcción de la primera destilería, constituida ante el notario público el 15 de Julio de 1,959. Las propiedades de las instalaciones se encuentran en la ciudad de Chichigalpa, Departamento de Chinandega, cuyo objetivo primordial es la industria y el comercio, que desde entonces se ha dedicado a producir alcoholes de la más alta calidad, utilizando tecnología avanzada y amigable con el medio ambiente. Su sede radica en Managua, Nicaragua y posee oficinas en Miami, Florida, la cual se encarga de comercializar su marca internacionalmente. Desde 1,990 esta Compañía, ha demostrado, que la búsqueda de mejores tecnologías, puede ayudar a mantener o mejorar la calidad, tanto del producto como del medio ambiente y al mismo tiempo reducir los costos de producción como resultado de la exitosa implementación de un sistema de destilación al vacío, alternativas como la instalación de un segundo sistema de múltiples efectos y un sistema de recuperación de calor de las purgas continuas de las calderas para calentar el agua de alimentación a cada caldera. Otro de los avances de esta empresa, es la planta procesadora y purificadora de gas carbónico (CO2), a partir de la fermentación de la melaza, que nace como una oportunidad para aprovechar los subproductos generados en la misma y obtener un valor agregado, como también por el interés de la compañía en controlar las emisiones de gases de efectos de invernaderos al medio ambiente y con ello contribuir a mantener el equilibrio ecológico. Actualmente trabaja con un biodigestor que constituye un avance más que la Compañía Licorera ha desarrollado con el propósito de dar tratamiento al subproducto de la destilación conocido como vinaza, cuyo alto contenido orgánico es aprovechado para la producción de biogás mediante la acción de bacterias anaeróbicas en el biodigestor. Este sistema permite mediante el tratamiento de las aguas residuales, la generación de gas metano, para sustituir el consumo de búnker, que es utilizado en las calderas para producir el vapor necesario en el proceso de producción. El presente estudio consiste en la determinación de los requerimientos de masa en las etapas de mezclado en línea, prefermentación, fermentación y destilación, así como las necesidades de energía en la etapa de fermentación y destilación del proceso de elaboración de alcohol considerando que la Compañía Licorera de Nicaragua S. A. está trabajando con el biodigestor a su máxima capacidad.

OBJETIVOS

General: Determinar los requerimientos de masa en las etapas de mezclado en línea,

prefermentación, fermentación y destilación, así como la cantidad de energía necesaria en las etapas de fermentación y destilación en el proceso de elaboración de alcohol de la Compañía Licorera S.A.

Específicos:

Definir la base de cálculo para cada una de las etapas del proceso de elaboración de alcohol.

Determinar los flujos másicos en las etapas de mezclado en línea,

prefermentación, fermentación y destilación.

Determinar la cantidad de calor en las etapas de fermentación y destilación del proceso de elaboración de alcohol.

Estimar la cantidad de búnker que se requiere en el proceso de producción del

alcohol, tomando en cuenta el gas metano generado por el biodigestor.

ANTECEDENTES

Compañía Licorera de Nicaragua S.A. desde su fundación en 1,838 hasta el año de 1,991, utilizó el método de destilación atmosférico, el cual para su producción de 127,506.84Kg/día de alcohol demandaba 41,880Kg/día de vapor, estos eran generados por 14,352.48gal/día de Bunker. Esta Compañía en vista de mejorar los costos de producción y aumentar su mercado, decidió cambiar este sistema por un sistema de destilación a vacío que le disminuyera el consumo de Bunker. Este sistema ha estado trabajando desde 1992 hasta el año 2002, reduciendo los galones de Bunker hasta un 50% con respecto al sistema anterior que funcionaba con el método de destilación atmosférico. En el año 2003 Compañía Licorera de Nicaragua S.A. instaló un biodigestor con el objetivo de darle un tratamiento adecuado, mediante la biodegradación de la materia orgánica, al efluente de la destilación conocido como vinaza. Así mismo, obtener un valor agregado del biogás producido, el cual está compuesto en un 60% por gas metano y se quema en las calderas para generar el vapor que la planta de destilación necesita. Debido a que la biodigestión es un proceso biológico, el biodigestor para alcanzar su máxima producción requiere de mucho tiempo, por esta razón al momento de evaluar su desarrollo al cabo de un año de funcionamiento, dio como resultado que su inversión no generó ni pérdidas ni ganancias para la empresa. Fue hasta el año 2004 e inicio del año 2005 que el sistema de biodigestión alcanzó la máxima producción para la cual esta diseñado, desconociéndose con exactitud la cantidad de búnker que se está ahorrando con este sistema actualmente. El departamento de finanzas de la Compañía Licorera S.A. lo único que conoce a través de su plan de abastecimiento de Bunker es un ahorro de 5000gal/día de este combustible, lo cual lo atribuyen a la sustitución del mismo por gas metano, producido por el biodigestor. Para éste año se desconocen los flujos de masa y energía en el proceso de producción de alcohol que permitan determinar la cantidad de búnker que se está requiriendo para la producción de vapor necesario en el desarrollo eficiente del proceso productivo.

JUSTIFICACIÓN

Compañía Licorera de Nicaragua S. A., actualmente trabaja con el sistema HACCP, y está certificada con las Normas ISO 9000, ISO 14000 y KOSHER, convirtiéndola en una empresa comprometida a la búsqueda de la mejora continua de sus procesos. La rentabilidad y la calidad son dos elementos que, si se alcanzan en una empresa, aseguran el futuro de la misma. Para llegar a obtener un producto de calidad, se requiere de una materia prima, insumos y de un proceso eficientemente controlado que permita lograr productos con las especificaciones de calidad establecidas y a la vez asegurar los mejores rendimientos. Compañía Licorera S.A. para ser más competitiva económicamente su participación en el negocio de los alcoholes dentro del Tratado de Libre Comercio (CAFTA), ha decidido trasladar sus instalaciones al Ingenio San Antonio, por lo cual necesita realizar el cálculo de los requerimientos másicos y energéticos del proceso de producción de alcohol. Con estos cálculos la empresa actualizará los costos de producción del alcohol, estimará la eficiencia del proceso fermentativo, evaluará la productividad del sistema de destilación a vacío y medirá los beneficios económicos y ambientales que este sistema les ha generado. La información obtenida de este estudio, será de utilidad en la planificación del funcionamiento en las nuevas instalaciones en el Ingenio San Antonio.

MARCO TEÓRICO

Principio de Conservación de la Masa:

Conservación de la Masa: un sistema se refiere a una sustancia o grupo de sustancias bajo consideración y un proceso a los cambios que tienen lugar dentro del sistema. Así, hidrógeno, oxígeno y agua pueden constituir un sistema, y la combustión de hidrógeno para formar agua, el proceso. Un sistema puede ser una masa de materia contenida dentro de una sola vasija y completamente aislada de los alrededores, o puede incluir toda la masa y energía comprendida en un proceso químico complejo contenida en muchas vasijas y conductos que las unen y en asociación con los alrededores. En un sistema aislado los límites del sistema están definidos por una masa determinada de materia y su contenido en energía está completamente separado de toda la otra materia y energía. Dentro de un sistema aislado la masa del sistema permanece constante, independiente de los cambios que tengan lugar dentro del sistema. Esta afirmación se conoce como principio de la conservación de la masa y es la base del llamado balance de materia de un proceso.

El estado de un sistema se define por numerosas propiedades que se clasifican como extensivas si dependen de la masa que se considere e intensivas si son independientes de la masa. Por ejemplo el volumen es una propiedad extensiva, mientras que la densidad y la temperatura son propiedades intensivas.

En el sistema hidrógeno, oxígeno y agua sometido a un proceso de combustión, la masa total en el sistema aislado permanece la misma. Si la reacción tiene lugar en una vasija y el hidrógeno y oxígeno se suministran a la vasija y los productos se retiran de ella, entonces las corrientes de entrada y salida deben incluirse como parte del sistema en orden a aplicar el principio de conservación de la masa o en el establecimiento de un balance de materia. El principio de conservación de la masa puede extenderse y aplicarse a la masa de cada elemento en un sistema. Así en el sistema aislado de hidrógeno, oxígeno y agua sometido al proceso de combustión, la masa del hidrógeno en su forma molecular, atómica y combinada permanece constante. Esto mismo es verdadero para el oxígeno.

En un sentido universal el principio de conservación se aplica al contenido en energía total de un sistema cerrado y no a su masa. Por emisión de energía radiante y por la transmutación de los elementos la masa de un sistema puede parcialmente convertirse en energía. En procesos de fisión y condensación nuclear el principio de conservación de masa se invalida, pero en procesos industriales ordinarios se acepta como riguroso.

Puesto que la palabra peso se aplica en la literatura de ingeniería como sinónimo de masa, en la práctica seguiremos refiriéndonos frecuentemente a pesos de materia en vez de emplear el término más exacto de masa como medida de cantidad. Pesos y masas son numéricamente iguales sólo en un lugar donde la constante de gravitación tiene el valor normal de 9,806 m/seg2 ó 32,174 ft/seg2. La variación en el peso de una masa dada sobre la superficie de la tierra es despreciable para el trabajo ordinario de ingeniería.

Principio de Conservación de la Energía:

Energía: las propiedades de una bola que se mueve, un péndulo que oscila o un volante que gira son diferentes de las de los mismos objetos en reposo. Las diferencias residen en los movimientos de los cuerpos y la capacidad de los objetos que se mueven para realizar trabajo, que se define como la acción de una fuerza en movimiento restringido a lo largo de una distancia. Asimismo, las propiedades de una barra de metal caliente al rojo son diferentes a las mismas de las barras de metal cuando está fría. La barra al rojo produce efectos en los ojos y en el tacto muy diferentes de los de la barra fría.

Bajo la clasificación de energía potencial se incluyen todas las formas no asociadas con movimientos sino que resultan de la posición y agrupamiento de la materia. La energía que posee un peso levantado, un muelle comprimido, una batería de acumuladores cargados, un tanque de gasolina, o un montón de carbón, es energía potencial. Similarmente, se almacena energía potencial dentro de un átomo como resultado de las fuerzas de atracción entre sus partes subatómicas. Así, la energía potencial puede clasificarse además como energía potencial externa, que es inherente a la materia como resultado de su posición relativa a la Tierra, o como energía potencial interna, que reside dentro de la estructura de la materia.

En contraste con esto, la energía asociada con el movimiento se denomina energía cinética. La energía representada por la corriente de un río, el recorrido de una bala o la rotación de un volante es energía cinética. También las moléculas individualmente poseen energía cinética en virtud de sus movimientos de traslación, rotación y vibración. Igual que la energía potencial, la energía cinética se subclasifica en energía cinética interna, tal como la asociada a la estructura molecular y atómica, y en energía cinética externa, a la asociada al movimiento externo.

Además de las formas de la energía asociadas a la composición, posición y movimiento de la materia, existe energía en forma de electricidad, magnetismo y radiación, que están asociadas a fenómenos electrónicos.

La ciencia relativa a la transformación de una forma de energía en otra se denomina termodinámica. Estudios antiguos de la transformación de energía conducen a la conclusión de que, aunque la energía puede transformarse de una forma a otra, nunca puede destruirse, y que la energía total del universo es constante. A este principio de conservación de la energía se le designa como primer principio de la termodinámica. Muchas verificaciones experimentales han servido para establecer la validez de esta ley.

Temperatura y calor: la energía puede transferirse no solo de una forma a otra sino también de una agregación de la materia a otra sin cambiar la forma de la energía. La transformación de energía de una forma a otra o la transferencia de energía de un cuerpo a otro siempre necesita de la influencia de una fuerza motriz. Por ejemplo, si una barra de metal caliente se coloca en contacto con una fría, la primera se enfriará y la última se calentará. El sentido de “caliente” es una indicación de la energía interna de la materia. La fuerza motriz que produce una transferencia de energía interna se denomina temperatura y a la forma de energía que se transfiere de un cuerpo a otro como resultado de una diferencia de temperatura se denomina calor. 4 Las tablas de vapor:

Las tablas de las funciones de entalpía y energía interna más completas y precisas que se conocen son las reportadas para agua. Esto ocurre debido a que el agua es una sustancia común y porque, especialmente en su estado de vapor, ha sido el principal fluido de trabajo para maquinas tales como los motores y las turbinas de vapor. El diseño correcto de dichas máquinas requiere de valores precisos de dichas funciones de estado y de la ecuación de estado correspondiente. Recordemos que el agua puede existir en fase sólida, líquida o vapor, y que, dentro de ciertas condiciones, dichas fases pueden coexistir en equilibrio. A una presión determinada, se conoce como líquido no saturado al agua líquida que se encuentra abajo de su temperatura de ebullición o de saturación; se le llama líquido saturado al agua líquida en su temperatura de ebullición. Al vapor producido en el punto de ebullición se le llama vapor saturado; cuando un vapor se calienta más allá de su temperatura de saturación, se le llama vapor sobrecalentado. Capacidad calorífica: La capacidad calorífica del agua y de todas las sustancias es una función de la temperatura y la presión, ya que la función de entalpía de donde se deriva Cp es dependiente de la temperatura y de la presión. Por lo tanto, los datos de Cp debieran reportarse, en principio, en tablas de dos dimensiones, como las usadas para la entalpía del vapor sobrecalentado. Sin embargo, convencionalmente se tabula o correlaciona a los valores de Cp a una presión de referencia fija, únicamente como función de temperatura y, como veremos, se efectúan cálculos separados de corrección por presión. Entalpía de mezcla: Para la mayoría de las sustancias se dispone únicamente de datos de entalpía del componente puro, ya sea en forma de tablas (como las del agua), o de correlaciones de capacidades caloríficas y de calores de transición de fase. En esta sección veremos la forma en pueden calcularse las entalpías de las mezclas, a partir de la información de los componentes puros. Mezclas ideales: la manera más deseable de calcular las propiedades extensivas de una mezcla (como su entalpía), correspondería simplemente a sumar las propiedades extensivas de los componentes puros. Por ejemplo, sería muy conveniente que pudiera calcularse la entalpía de una mezcla Hmezcla, como la suma de las entalpías de los componentes, Hs, que es una forma análoga al cálculo de la entalpía de un vapor húmedo. Una mezcla que obedece esta regla de mezclado de propiedades se llama mezcla ideal. La regla ideal de mezclado solo se satisface estrictamente en el caso de mezclas de gases de baja densidad y mezclas líquidas diluidas. Para mezclas en general debe modificarse esta regla de mezclado e incluir un término de corrección ∆Hmezcla que se llama calor de mezclado. El nombre del calor de mezclado se deriva del hecho de que, si el mezclado se lleva a cabo en un proceso a presión y temperatura constantes, entonces el efecto calorífico observado corresponderá a este término de corrección.3

El proceso de elaboración de alcohol parte de una materia prima (melaza), acondicionada con agua y con la adición de levadura (saccharomice cerevizae) para la fermentación y un proceso de destilación para la separación del etanol. Definición de la Melaza: La melaza es el subproducto de la fabricación o de la refinación del azúcar crudo: el líquido denso y viscoso que se separa de la masa cocida final de baja calidad y del cual no se puede cristalizar más azúcar por los métodos usuales. Para fines comerciales, la melaza no obedece a la definición que hemos citado, ya que tal como sales de la centrifuga, es demasiado densa y viscosa para ser manejada por bombeo, especialmente en tiempo frío. El procedimiento comercial utilizado consiste en la dilución de la melaza densa de las fábricas hasta que alcance un Brix estándar. Los azúcares principales de la melaza son la sacarosa, dextrosa y la levulosa, de los cuales los dos últimos componen la mayor parte de los azucares reductores. Los tanques destinados al almacenamiento de melazas deben poseer un amplio margen de seguridad estructural. Existen pruebas que demuestran que la mayoría de las explosiones de cuyo acontecimiento en tanques de mieles se ha conocido, han consistido en realidad en colapsos debido a defectos de construcción de la estructura del tanque, o debilitamientos efectuados por la acción corrosiva de los ácidos que contienen las melazas. Es evidente que se deben inspeccionar frecuentemente los interiores de los tanques de melaza. Estos tanques también se deben conectar a tierra para evitar daños por acción de rayos, y dotar de ventiladores adecuados que permitan el escape de los gases de descomposición de las melazas. Ya que las melazas densas tienen una gravedad específica aproximada de 1.50, los tanques que hayan sido construido originalmente para depósitos de agua nunca se deben de llenar a más de las dos terceras partes de su altura cuando se usen para depósitos de las mismas. Alrededor del 15% del alcohol etílico que se produce en los Estados Unidos se fabrica de melaza. La fermentación de la melaza es resultado de la acción de la levadura, que comienza por invertir la sacarosa mediante la acción de la invertasa que segrega. Seguidamente, la levadura convierte el azúcar invertido en alcohol etílico y dióxido de carbono, de acuerdo con las siguientes reacciones: C12H22O11 + H2O + invertasa = C6H12O6 + C6H12O6 C6H12O6 = 2C2H5OH + 2CO2

Sacarosa Dextrosa Levulosa

Azúcar invertido

Alcohol etílico

Dioxido de Carbono

El rendimiento teórico de una libra de azúcar invertido (0.95lbs de sacarosa) es de 0.511lbs de alcohol absoluto y 0.489lbs de dióxido de carbono. Los métodos modernos, con levaduras debidamente escogidas rinden cerca del 90% de la cifra teórica.

Ilustración 1. Prefermentador. La determinación de la densidad del mosto se realiza utilizando la tabla que se detalla en la siguiente página.

La Melaza como materia prima para la producción de alcohol: La melaza a diferencia de muchas otras materias primas para la producción de alcohol tales como el maíz y la papa, las cuales contienen carbohidratos como el almidón, que al ser pre-tratados con calentamiento y con acción enzimática, éste se hidroliza y se transforma en azúcares fermentables. Los carbohidratos en la melaza ya están en forma de azúcar, por lo que ésta no necesita un pre-tratamiento para ser fermentada. Tipos de melazas: Hay una lista de seis tipos básicos de melazas, las cuales pueden ser utilizadas como materia prima para fermentación. Ellas son:

• Melaza de caña de alta prueba. • Melaza de caña. • Melaza de caña refinada. • Melaza de remolacha • Melaza de remolacha refinada • Melaza cítrica

Producción de Melaza de Caña: En la producción de azúcar de caña, la caña es triturada en un molino para extraer el jugo, el cual es calentado, clarificado con la adición de cal y filtración (para remover las fibras de caña y lodos), luego se evapora para concentrar el azúcar y formar los cristales. El sirope que contiene los cristales es centrifugado para separar los cristales, y el residuo de sirope (el cual posee un alto contenido de azúcar) es después referido como miel A. Este es evaporado y nuevamente centrifugado, para obtener más cristales de azúcar, y el sirope que queda es ahora llamado miel B. Este proceso puede ser repetido nuevamente para obtener más rendimiento de azúcar y lo que resulta es la miel C. Los molinos de azúcar normalmente practican un máximo de tres evaporaciones y centrifugaciones, pero el número de tratamientos dependerá de la economía del mercado. A la vez, cuando los precios del azúcar son muy altos, puede ser practicado un cuarto proceso, de tal forma que también se produce la miel D, la cual tiene mucha menor disponibilidad de cristales de azúcar. Por otro lado cuando los precios del azúcar son bajos, la miel A puede ser vendida directamente. Con la repetida evaporación y centrifugación, el contenido de azúcar en la melaza disminuye, y la viscosidad, concentración de sales y otras impurezas incrementan, para terminar con un líquido espeso, viscoso y café, el cual es muy pesado en peso. El grado de concentración de las melazas es normalmente medido en grados Brix. La escala Brix es una medida del contenido de azúcar que un líquido posee, una vez disuelto, donde los sólidos suspendidos son azúcar. Expresado de otra manera, es el contenido de azúcar de una solución de azúcar con la misma gravedad específica que la de la muestra. Así, una melaza de 80° Brix tiene una gravedad específica de 1.416, la cual es la misma que la de una solución de azúcar que contiene el 80% en peso de azúcar. El Brix se mide con un hidrómetro, el cual fue originalmente utilizado únicamente para soluciones de azúcar.

Fermentación de la melaza para la producción de Etanol Dilución de las melazas: La melaza de caña a 80° Brix no fermentará por sí sola, sin solución, ya que los azucares y las sales ejercen una alta presión osmótica. Por consiguiente es necesario diluir la melaza por debajo de 25° Brix. Antes de llegar a este punto la levadura no comenzará a fermentar rápidamente, y la contaminación bacteriana puede desarrollarse antes de que la levadura haya tenido la oportunidad de estabilizarse, ya que la melaza es muy atacada por bacterias, algunas destilerías prefieren pasteurizar la melaza antes de la fermentación, pero es difícil justificar los costos involucrados, a menos que se incorpore como parte de una clarificación del proceso. Cuando se considere la disolución de la melaza, se debe de recordar la medida de Brix que esta expresada en porcentaje en peso, así que todos los cálculos deben estar basados en peso y no en volumen. En los Estados Unidos, el contenido típico de azúcar en las melazas (46%) es relativamente bajo, así que cuando la melaza es diluida a 25° Brix, el contenido de azúcar es solamente cerca del 14.3%, esto es suficiente solamente para dar del 7 – 8% v/v de etanol en el mosto fermentado. Las destilerías necesitan un contenido de etanol final más alto para economizar la energía que se genera durante la destilación, pero la fermentación no puede ser iniciada con un Brix mucho más alto sin correr el problema de comenzar bajo y con contaminación bacteriana. Algunas destilerías superan este problema diluyendo la primera porción de melaza llevándola al fermentador cerca de 18° Brix, Lo cual permite que la levadura se estabilice mucho más rápido. Luego revisan la lectura del Brix y agregan más melaza (la cual debe estar diluida a 35° Brix) cuando la lectura en el fermentador haya bajado hasta 12° Brix. Esto permite un logro de los niveles de etanol de alrededor de un 10%. Este procedimiento es el primer paso hacia lo que conocemos como incremento en la alimentación, el cual también es un paso hacia la fermentación continua. En el llenado del sistema de incremento en la alimentación, uno puede comenzar la fermentación a 14° Brix y estar alimentando más melaza a 35° Brix, para mantener la lectura del Brix en el fermentador entre 12 y 14° Brix, hasta que el tanque este lleno. Luego para ir a un proceso semi-continuo o continuo, es meramente necesario para evitar que los fermentadores se sobre llenen, introducir uno o más tanques.

Ilustración 2. Mezclador en Línea. Condiciones de fermentación Las fermentaciones de las melazas pueden ser llevadas de 90 – 95° F, pero si uno está apuntando para niveles altos de alcohol final en el mosto, es aconsejable que se mantengan el máximo de temperatura baja, ya que el efecto de la inhibición del alcohol sobre la levadura se incrementa a las más altas temperaturas. Las fermentaciones de las melazas son generalmente mucho más rápidas que la fermentación de grano y puede completarse en la mitad de tiempo que se requiere para grano. Esto quiere decir que hay mucho más calentamiento siendo producido por hora, lo cual genera una mejor facilidad de enfriamiento que para grano. Algunas plantas de alcohol de grano colocan un intercambiador de calor externo entre dos fermentadores, pero esa práctica no es realmente factible con melazas, si uno está trabajando para maximizar eficiencia.

Ilustración 3. Tanque fermentador. Los Fundamentos de la Destilación de Alcohol: Considerando la importancia de la operación unitaria conocida como destilación, hay ciertos principios y fundamentos que son comunes en todo sistema de destilación. Los sistemas de destilación moderna son de múltiple efecto, continuo, contra corriente, sistema de contacto vapor-líquido que opera con las leyes físicas de estado de los diferentes materiales que hierven a diferentes temperaturas. Un sistema de destilación debe contener los siguientes elementos:

a. una alimentación compuesta de dos o más componentes para ser separados. b. Una fuente de energía para manejar el proceso (en la mayoría de los casos

esta fuente de energía es vapor, entra directamente en la base de la columna o transfiriendo la energía a la columna que lo contiene a través de un intercambiador de calor indirecto llamado hervidor).

c. Una cabeza, purificadora de producto consistiendo principalmente en la alimentación de los componentes con el más bajo punto de ebullición.

d. Un producto de fondo que contenga los componentes de la alimentación procesando los más altos puntos de ebullición.

e. Un condensador arriba, el cual normalmente contienen agua fría, para condensar el vapor que resulta de la ebullición creada por la entrada de energía. El líquido resultante de la condensación, es dividido en dos corrientes. Una de estos es el producto de las cabezas y el otro es el reflujo que retorna al tope de la columna para proporcionar la descarga de líquido en la porción superior de la columna.

La porción de la columna antes del punto de entrada de la alimentación se conoce como la sección de rectificación de la columna. La parte de la columna debajo del punto de entrada de la alimentación es denomina sección de agotamiento de la columna.

Análisis de Energía Además de la selección del dispositivo básico de contacto, los requerimientos energéticos deben estar establecidos. Esto se cumple con el análisis de equilibrio vapor-líquido. Conservación de la energía El aumento de los costos de energía térmica, si provino de gas natural, aceite combustible carbón o biomasa, esta creando un énfasis aumentado en la recuperación de calor y una reducción en la energía térmica primaria usada. El fondo convencional para la alimentación de los intercambiadores de calor está siendo ahora complementado con la recuperación del calor del vapor latente en la parte de arriba por el precalentamiento del líquido de alimentación y otros líquidos del proceso intermedio. Las técnicas de destilación por múltiples etapas (similar al de múltiples efectos de evaporación) son también practicadas. Presión atmosférica, vacío atmosférico o presión al vacío son utilizadas en las fases de la columna, con la energía térmica pasando arriba desde una columna para proveer al hervidor calor para la próxima etapa. Tal que las dos etapas sean bastante comunes y que las tres etapas del sistema también hayan sido utilizadas. Además, la técnica moderna de recompresión de vapor, la cual es comúnmente usada en los sistemas de evaporación, está también siendo propuesta, y en algunos casos, aplicadas para sistemas de destilación. Tal sistema puede proveer por compresión del vapor de arriba una presión y temperatura conveniente para usarlo en el hervidor de la columna de agotamiento, sin embargo el grado de compresión requerida para el recubrimiento del tal calor puede consumir tan alta energía eléctrica como podría ser seguro en el suministro de energía.6

Ilustración 3. Cuerpo de una Columna de Destilación A continuación se presenta la tabla de propiedades del vapor saturado y agua saturada.

La porción de la columna antes del punto de entrada de la alimentación se conoce como la sección de rectificación de la columna. La parte de la columna debajo del punto de entrada de la alimentación es denomina sección de agotamiento de la columna. Análisis de Energía Además de la selección del dispositivo básico de contacto, los requerimientos energéticos deben estar establecidos. Esto se cumple con el análisis de equilibrio vapor-líquido. Conservación de la energía El aumento de los costos de energía térmica, si provino de gas natural, aceite combustible carbón o biomasa, esta creando un énfasis aumentado en la recuperación de calor y una reducción en la energía térmica primaria usada. El fondo convencional para la alimentación de los intercambiadores de calor está siendo ahora complementado con la recuperación del calor del vapor latente en la parte de arriba por el precalentamiento del líquido de alimentación y otros líquidos del proceso intermedio. Las técnicas de destilación por múltiples etapas (similar al de múltiples efectos de evaporación) son también practicadas. Presión atmosférica, vacío atmosférico o presión al vacío son utilizadas en las fases de la columna, con la energía térmica pasando arriba desde una columna para proveer al hervidor calor para la próxima etapa. Tal que las dos etapas sean bastante comunes y que las tres etapas del sistema también hayan sido utilizadas. Además, la técnica moderna de recompresión de vapor, la cual es comúnmente usada en los sistemas de evaporación, está también siendo propuesta, y en algunos casos, aplicadas para sistemas de destilación. Tal sistema puede proveer por compresión del vapor de arriba una presión y temperatura conveniente para usarlo en el hervidor de la columna de agotamiento, sin embargo el grado de compresión requerida para el recubrimiento del tal calor puede consumir tan alta energía eléctrica como podría ser seguro en el suministro de energía.6

Ilustración 3. Cuerpo de una Columna de Destilación A continuación se presenta la tabla de propiedades del vapor saturado y agua saturada.

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METODOLOGÍA

El presente estudio se realizó en Compañía Licorera de Nicaragua S. A., en el periodo Febrero – Junio 2005. El Estudio da inicio definiendo las bases de cálculos necesarias para realizar los balances de materia en las etapas de mezclado en línea, prefermentación, fermentación y destilación y los balances de energía en las etapas de fermentación y destilación. Para dicha definición se utilizó el fundamento de la ley de la conservación de la materia y la energía. Para la realización de los balances de materia se establecieron cuales eran los flujos de entrada y salida, las fracciones parciales de composición de los flujos así como los valores en cada fracción de las corrientes en las etapas de mezclado en línea, prefermentación, fermentación y destilación. En la etapa mezclado en línea, para la realización de los balances de materia se consideraron los flujos de masa y las fracciones parciales de composición siguientes: una corriente de entrada de miel a 88 grados Brix y una de agua cien por ciento agua y una corriente de salida de mosto a 24 grados Brix, la información de los grados Brix que conforman estos flujos se obtuvieron del laboratorio de control de calidad de la empresa. En la operación de prefermentación, los flujos de masa y la composición de los mismos para el balance de materia fueron: una corriente de entrada de mosto a 24 grados Brix, una corriente de entrada de la levadura previamente preparada en el laboratorio a 13.5 grados Brix dejándose en reposo hasta alcanzar nuevamente trece punto cinco grados Brix, conformando la corriente de salida del prefermentador. El procedimiento práctico para el cálculo de los flujos de masa en esta etapa consistió en la aplicación de las siguientes fórmulas: Primero se calculó la cantidad de mosto que sale del mezclador en línea y que entra al pre-fermentador: M24°B= pulg.de Mosto en cada prefermentador x los litros que hay por cada pulgada x la densidad del mosto x el N° de prefermentadores operando por día x un día que tiene 24 horas = a la cantidad de mosto de 24° Brix en Kg./h en el proceso de prefermentación.

B

Teniendo el mosto de 24° Brix, se realizó un balance parcial por °Brix para encontrar la cantidad requerida de miel a 88°Brix y la cantidad de agua de dilución en el mezclador. Miel 88° B= Mosto (24° Brix)/ 88°Brix. La cantidad de agua se calculó por diferencia: Agua = mosto 24° Brix – Miel 88°Brix La cantidad de CO2 generada se calculó mediante un balance estequiométrico. C12H22O11 + H2O + invertasa = C6H12O6 + C6H12O6 C6H12O6 = 2C2H5OH + 2CO2 Sacarosa Dextrosa Levulosa Azúcar invertido

Alcohol etílico

Dioxido de Carbono